Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs

MA Yachao; ZHAO Haiquan; YANG Xuejun; HUANG Zhiqiang

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.011

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Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs

·Optimization·Reliability· | 更新时间：2025-11-26

- Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 11, Pages: 89-97(2025)
- 作者机构：
  
  1.西南石油大学机电工程学院，成都 610500
  2.西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室，成都 610500
- 作者简介：
  
  MA Yachao, E-mail: mayachao1206@163.com
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51904263)
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.011
  CLC： TE922
- Received：28 December 2023，
  
  Revised：2024-02-27，
  
  Published：15 November 2025
- 稿件说明：
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马亚超，赵海全，杨学军，等. 山地物探电动钻机振动稳定性分析及结构优化［J］. 机械强度，2025，47（11）：89-97.

MA Yachao，ZHAO Haiquan，YANG Xuejun，et al. Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：89-97.
马亚超，赵海全，杨学军，等. 山地物探电动钻机振动稳定性分析及结构优化［J］. 机械强度，2025，47（11）：89-97. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.011.

MA Yachao，ZHAO Haiquan，YANG Xuejun，et al. Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：89-97. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.011.

摘要

油气资源勘探逐渐由汽油或柴油驱动向电力驱动发展，但传统的山地物探电动钻机在工作时振动大，严重影响了电动钻机工作稳定性。基于此，以山地物探电动钻机为研究对象，采用有限元仿真分析与试验相结合的方法，开展了电动钻机振动稳定性分析及结构优化。仿真结果表明，优化前电动钻机的第7、8、9阶固有频率均处于共振范围内，最大振动位移处于桅杆上，且沿

轴方向最大位移为5.9 mm，严重影响钻机的稳定性。对钻机的减速器类型、底座结构和拉杆位置进行优化后，钻机的最大固有频率较优化前降低22.6%，均避开了共振范围，且

轴方向最大振动位移为2.9 mm，较钻机优化前降低50.8%。现场试验表明，工作稳定后钻机的转矩在670 N·m上下小幅度波动，桅杆在

、

方向振动加速度分别在±0.37、±0.25、±0.04 m/s

范围内波动，钻机正常工作时不发生共振。研究工作解决了山地物探电动钻机工作时的共振问题，可为绿色高效的油气勘探装备的研发提供参考。

Abstract

The exploration of oil and gas resources is gradually shifting from gasoline or diesel-driven to electric-driven. However

traditional mou

ntain geophysical electric drilling rigs generate significant vibration during operation

which seriously affects their working stability. Based on this

mountain geophysical electric drilling rigs were taken as the research object

and a combination of finite element simulation analysis and experiments was adopted to conduct vibration stability analysis and structural optimization of the electric drilling rigs. The simulation results show that the 7th

8th

and 9th order natural frequencies of the electric drilling rig before optimization all fall within the resonance range

and the maximum vibration displacement occurs on the mast with a maximum displacement of 5.9 mm along the

-axis

which seriously affects the stability of the drilling rig. After optimizing the reducer type

base structure

and tie rod position of the drilling rig

the maximum natural frequency of the rig is reduced by 22.6% compared with that before optimization

all lying outside the resonance range; meanwhile

the maximum vibration displacement along the

-axis is 2.9 mm

The maximum vibration displacement along the

-axis is 2.9 mm

which is a 50.8% decrease compared with that of the drilling rig before optimization. The field tests show that after the drilling rig operates stably

its torque fluctuates slightly around 670 N·m

and the vibration accelerations of the mast in the

and

directions stably fluctuate within the ranges of ±0.37

±0.25 and ±0.04 m/s² respectively. No resonance occurs when the drilling rig works normally. This study solves the resonance problem of mountain geophysical electric drilling rigs during operation and can provide a reference for the research and development of green and efficient oil and gas exploration equipment.

关键词

Keywords

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